Мала академія наук запустила цикл зустрічей із Нобелівськими лауреатами. На лекціях зіркових науковців можна почути історії успіху та епікфейлів, надихнутися прикладами та поставити вченим власні запитання.

6 червня з МАНівцями спілкувався американський фізик Вільям Філліпс — лауреат Нобелівської премії з фізики 1997 року за створення методів охолодження і затримки атомів лазерним променем.

Сьогодні ділимося конспектом найцікавіших тез лекції вченого!

Чому ми говоримо про метричну систему? 

Метрична система виникла під час Французької революції, наприкінці ХVIII століття. А ось кілька років тому, 20 травня 2019 року, у річницю міжнародних домовленостей щодо метричної системи, відбулася найбільша революція в одиницях вимірювання. Відтоді всі основні одиниці визначаємо за допомогою природних фундаментальних констант. До прикладу, раніше метр визначали за допомогою артефакту, який брали за стандарт довжини, сьогодні ж його визначаємо за допомогою швидкості світла. Аби пояснити, як відбулися зміни в одиницях вимірювання, лектор розповів короткі історії часу, довжини та маси. 

Коротка історія часу від Вільяма Філліпса 

Раніше люди визначали секунду за такою формулою: 1 доба / (24 × 60 × 60) = 1/86400 доби. Це здається зрозумілим визначенням, але довжина доби постійно змінюється — знаємо це досить давно, ще з винаходу механічних годинників, які показують цю зміну. 

Сьогодні ж ми маємо атомні годинники — один із перших виготовили в британській Національній лабораторії в 1955 році. Принцип їхньої роботи заснований на скеруванні мікрохвиль певної частоти на атоми, які внаслідок цього змінюють свій стан. Відповідно, 1967 року стандартом часу стали 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання під час переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома Цезію-133.

Точність атомних годинників залежить від швидкості руху атомів Цезію, і раніше вони рухалися зашвидко. Вільям Філліпс працює над тим, щоб використовувати лазер для сповільнення атомів. Так підвищили точність до 10-16 секунди на рік, і поки ці годинники — найточніші. 

Отже, спершу ми визначали час за швидкістю обертання Землі, що постійно змінюється, а тепер для розрахунків використовуємо природну константу — властивості атома. Так працює вся реформа в метрології: щось невизначене замінюємо на стале. Цей принцип можемо побачити й в історії довжини.

Коротка історія довжини від Вільяма Філліпса 

Люди в усі часи мали потребу вимірювати довжину — чи то для буденних цілей, чи то для промислових. Ранні стандарти довжини були засновані на людському тілі, як-от стопах чи ліктях. Це свого часу було зручно, адже вимірювачі завжди напоготові, але були й проблеми… Приміром, коли доводилося купувати  тканину, яку вимірювали за ліктем, а поруч не було жодного велетня, який допоміг би придбати якнайбільше товару за ту саму ціну :)

Аби уникнути суперечок, адже в кожного руки різної довжини, почали за стандарт вимірювання використовувати тіло монарха. Так, у Єгипті користувалися ліктем фараона, але він не завжди поруч, тож створили об'єкт, що мав стандартну довжину. Цей метод використовували під час будівництва пірамід, а за будь-яку невідповідність стандарту винуватця карали смертю — ось чому камені в фундаменті єгипетських споруд майже однакові. 

Вимірювальні артефакти існували по всьому світу, і їхні довжини могли відрізнятися. Під час Французької революції вирішили створити новий стандарт довжини та назвати його «метр». Це мала бути 1/10000000 відстані від екватора до Північного полюса по меридіану, що проходив територією Франції. Проте постійно вимірювати Землю важко та довго, тому люди знову вирішили створити артефакт у дусі фараонового ліктя. Ідею метра передали іншим країнам, і 1875 року в Міжнародній метричній конвенції 17 країн домовилися його використовувати.

Проблема була в тому, що з часом відстані між двома краями артефакту стало недостатньо, тож почали використовувати довжину хвилі світла як стандарт. Так 1960 року нарешті змінили визначення метра, а також винайшли лазер, що допомагає спостерігати хвилі точніше. Але згодом метр знову перевизначили, тільки тепер взявши за основу швидкість світла. 

Є закон фізики, за яким ƛ × f = c (довжина хвилі, помножена на її частоту, дорівнює швидкості світла). Якщо в нас є швидкість світла та частота хвилі, можемо визначити довжину хвилі. Тож нове визначення метра — це відстань, на яку подорожує світло за  1/299792458 секунди.  

Вільям Філліпс назвав це визначення досконалим, адже навіть якщо хтось винайде кращий спосіб вимірювати частоту хвилі світла чи лазер із більшою точністю (таке траплялося в нашій історії), це не вплине на визначення метра. 

Тож ми починали вимірювати довжину за допомогою артефактів, а потім скористалися для цього природною константою — швидкістю світла...

Коротка історія маси від Вільяма Філліпса 

У давні часи, як і з метром, для вимірювання маси використовували артефакти. У кожному куточку світу були свої стандарти. 

Під час французької метричної революції вирішили створити універсальний стандарт. У 1793 році кілограм визначили як масу одного кубічного дециметра, або літра води. Досить важко отримати рівно літр, до того ж, властивості води змінюються залежно від температури. 

Тоді люди знову створили артефакт: 1799 року стандартом для кілограма став об’єкт із платини, а пізніше — з платино-іридійного сплаву. Ним користувалися по всьому світу та називали «the International Prototype Kilogram». 

Аби замінити артефакт, для кілограма взяли за основу константу Планка. Стала Планка — мінімальний квант дії (інакше — квант кутового

моменту). Фундаментальність мас електрона, протона й нейтрона полягає в тому, що це маси частинок, з яких складається речовина Всесвіту.

Нині ж ми розуміємо, що мрія французьких революціонерів про систему одиниць, яка б існувала в усі часи та для всіх народів майже здійснилася 20 травня 2019 року, адже тепер в основі більшості одиниць вимірювання маємо справді постійні величини. Виняток становить лише міра часу, яка все ще прив’язана до конкретного атома. 

Попереду ще багато цікавих лекцій! 

Посилання на форми реєстрації шукай на сайті МАН у розділі «Наукові івенти» ➡️ https://man.gov.ua/events

І читай найцікавіше з інших лекцій серії ➡️

Про світлодіоди, шлях до «Нобелівки» та мрії: конспект лекції фізика Хіросі Амано

Про мозок, навчання уві сні та саморозвиток у складні часи: конспект лекції Барбари Оклі

Про пам’ять, орієнтацію у просторі та лікування хвороби Альцгеймера: конспект лекції Мей-Брітт Мозер

Фейки про рослин-мутантів, користь від ГМО і небезпека їхньої заборони: конспект лекції Річарда Джона Робертса

Про нейтрино та історію дослідження цієї частинки: конспект лекції Шелдона Лі Ґлешоу

Про вивчення нейронів, дослідження неврологічних хвороб і різницю між мозком і комп’ютером: конспект лекції Едварда Мозера

Про нейтрино, таємниці осциляцій і нові закони Всесвіту: конспект лекції Такаакі Кадзіти

Про аквапорини, важливість їх дослідження та єднання націй через науку: конспект лекції Пітера Егра

Про мову генів, РНК-інтерференцію та сортування фейків: конспект лекції Крейга Мелло

Про вірусні ідеї, біологію наукового прогресу та головну мотивацію для вчених: конспект лекції Джорджа Сміта

Про шлях до «Нобелівки» з хімії, заморожування біомолекул і вивчення коронавірусу: конспект лекції Йоахіма Франка
Про моделювання молекул, органокаталіз і майбутнє медицини: конспект лекції Девіда Макміллана

Про «непотрібні» знання та секрети наукового мислення: конспект лекції Мартіна Чалфі

Про важливість занять наукою й алгоритми вдумливого навчання: конспект лекції Ліланда Гартвелла

Про соціальну відповідальність бізнесів і навіщо вона потрібна: конспект лекції Олівера Гарта

Про гравітаційні хвилі та чорні діри: конспект лекції Райнера Вайса

Про війну росії проти свободи в Україні, Казахстані й Ірані: конспект лекції Ширін Ебаді

Про пошук покликання, соціальні експерименти та боротьбу з бідністю у світі: конспект лекції Естер Дюфло

Про волатильність, глобальне потепління та його вплив на економіку: конспект лекції Роберта Енґла ІІІ

Про причини хвороби Паркінсона та науки, що допоможуть у лікуванні: конспект лекції Ренді Шекмана

Про гонку озброєнь бактерій і вірусів та спосіб редагування генома: конспект лекції Емманюель Шарпантьє

Про дитячі роки Всесвіту й таємниці космосу: конспект лекції Джона Мазера

Про флуоресцентну мікроскопію та поради майбутнім ученим: конспект лекції Вільяма Мернера